Вступительная лекция

Основные понятия биоэнергетики. Представление о балансовом подходе к изучению экосистем. Продукция и деструкция. Концепция трофических уровней.

Основные понятия биоэнергетики.

Гидробиология, или экология гидросферы, или гидроэкология, также как и экология – наука о надорганизменных формах организации жизни, - изучает водные экосистемы, исследует их структуру и функционирование с целью управления ими.

В гидробиологии раньше, чем в экологии суши, началось изучение надорганизменных биосистем (планктона, бентоса, нектона и т.д.). Многие основные понятия, широко используемые в современной экологии, такие, например как биомасса, биоценоз, продукция, трофические уровни и др., были сформулированы на основании изучения жизни в различных водоемах и водотоках.

Так, немецкий ученый Карл Мебиус в 1877 году впервые сформулировал понятие «биоценоз», как сообщество организмов на устричной банке (совокупность популяций различных видов растений и животных, населяющих определенный биотоп).

Американский биолог С. Форбс в 1887 г. опубликовал свой классический труд об озере как «микрокосме» (озеро как целое). Исходя из стабильности озера он определял его независимость от окружающих условий.

С.А. Зернов (1903) Описывает 7 биоценозов Черного моря в своей книге «К вопросу об изучении жизни черного моря».

А. Тинеман – один из основоположников учения о типологии водоемов. В 1927 году публикует работу «Круговорот пищевых веществ в водоеме». Цепь круговорота состоит из 3-х звеньев (растения-низшие животные-рыбы).

Л.Л. Россолимо (1934) впервые вводит для понятия динамики веществ в водоеме новый термин – баланс.

Г.Г. Винберг (1937) основоположник работ по биотическому балансу органического вещества в водных экосистемах. Определил «чистую» продукцию как разницу между величиной фотосинтеза и дыхания, которая отражает величину накопления автохтонного органического вещества в водоеме.

Линдемана (1942) - трофические уровни

Берталанфи (1950) – теория роста

Среди исследовательских задач, решаемых гидробиологией:

1. описание видового состава сообществ водных организмов;

2. учет количества организмов, их численности и биомассы;

3. решение междисциплинарных задач

· рациональная эксплуатации живых ресурсов;

· прогнозирование состояния водных экосистем в условиях антропогенного воздействия;

· управление качеством вод (эвтрофирование);

· создание научных основ аквакультуры.

Задачи биоэнергетики водных экосистем:

1. изучение общих закономерностей структурно-функциональной организации водных экосистем, определяющей потоки вещества и энергии в них;

2. исследования зависимости потоков вещества и энергии от факторов среды, в том числе антропогенных;

3. разработка теории биологической продуктивности водных экосистем.

Нередко встречающееся еще и в наше время низведение гидробиологии до простого изучения видового состава, морфологических особенностей, биогеографии гидробионтов, их численности и биомассы приводит к упрощенному рассмотрению гидробиологии и тормозит ее развитие.

Примерно на рубеже XIX и XX веков биологи начали серьезно рассматривать идею о том, что природа функционирует как целостная система независимо от того, о какой среде идет речь: пресноводной, морской, наземной. Но только через пол века усилиями Л.Л. Россолимо (1934), Винберга (1936), Линдемана (1942), Берталанфи (1950) и других были разработаны общие принципы и подходы в изучении экосистем, основанные на общей теории систем, положившие начало нового направления – количественной экологии экосистем.

Системный подход лежит в основе методологии современной гидробиологии.

Система – множество взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность (единство).

Структура объекта – взаиморасположение его составных частей, учитывающую совокупность связей объекта, которая обеспечивает его целостность.

В популяции различают: возрастную, половую, размерную структуру.

В сообществе и экосистеме: видовую, пространственную, трофическую и т.д.

Функция объекта – взаимосвязь отдельных частей в рамках целого, соотношение двух или группы объектов в пределах целого, при котором изменения одного приводят к изменению другого.

Биоэнергетика – раздел биологии, изучающий процессы превращения энергии в биологических системах.

Функционирование экосистемы обеспечивает взаимодействие трех основных компонентов: 1) поток энергии; 2) сообщества; 3) круговорот веществ. Сообщество представлено в виде пищевой сети, состоящей из автотрофов и гетеротрофов.

Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии (тепловой сток). Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и т.д.) и вода могут использоваться многократно.

Эффективность повторного использования и размер импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.

Анализ энергетических схем и моделей водных экосистем позволяет получить такие фундаментальные их характеристики, как:

· обеспеченность пищей отдельных компонентов сообщества,

· соотношение их реальной и максимально возможной продукции,

· их доля в суммарной продукции,

· эффективность их функционирования,

· степень вовлечения мертвого органического вещества в продукционный процесс.

Все экосистемы, даже самая крупная – биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию.

Потому концепция экосистемы должна учитывать существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы среды на входе и среды на выходе. Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ.

Проблемы определения границ экосистемы. Преимущества гидробиологов. Примеры: экосистема озера, моря; бати- и эпипелагическая экосистемы Черного моря)

Масштабы изменения среды на входе и на выходе чрезвычайно сильно варьируют и зависят от нескольких переменных:

1. Размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних условий);

2. Интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток);

3. Сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем сильнее нарушено это равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления);

4. Стадии и степени развития системы (молодые системы отличаются от зрелых меньшей устойчивостью).

Дата добавления: 2015-05-08